減速車道車輛換車道的研究

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1、減速車道車輛換車道的研究㈠元胞自動機基本原理1.元胞自動機基本原理元胞自動機是時間、空間、狀態(tài)都離散，空間的相互作用及時間上因果關系皆局部的網格動力學模型，特別適合用于空間復雜系統(tǒng)的時空動態(tài)模擬研究。不同于一般的動力學模型，元胞自動機不是由嚴格定義的物理方程或函數(shù)確定，而是用一系列模型構造的規(guī)則構成，凡是滿足這些規(guī)則的模型都可以算作是元胞自動機模型。元胞自動機最基本的組成單位包括元胞、元胞空間、鄰居及演化規(guī)則四個部分。（1）元胞：元胞（Cell），又稱為單元或基元，是元胞自動機的最基本組成部分，分布在離散的一維、二維或多維歐幾里得空間的晶格點上。（2）元胞空間：元胞

2、空間是指元胞所分布在歐幾里得空間上的網格點的集合，目前研究的重點多放在一維和二維元胞自動機上，三維及三維以上的元胞自動機的研究相對較少。（3）鄰居：在元胞空間的網格上，每個元胞都是同質的，其大小一樣。元胞的鄰域規(guī)則即確定元胞自動機鄰居的規(guī)則通常是以半徑r為標準，和某個元胞之間的距離小于半徑r即為此元胞的鄰居。（4）演化規(guī)則：演化規(guī)則就是根據(jù)元胞當前狀態(tài)及其鄰居狀況確定下一時刻該元胞狀態(tài)的動力學函數(shù)，或者可以稱為系統(tǒng)狀態(tài)轉移函數(shù)。此函數(shù)構造了一種簡單的離散時空局部物理系統(tǒng)，簡記為：（3-1）式中：—狀態(tài)轉移函數(shù)，也稱為元胞自動機的局部映射或局部規(guī)則；—分別表示元胞當前

3、狀態(tài)和鄰域元胞當前狀態(tài)。演化規(guī)則是元胞自動機模型中最為關鍵的部分，元胞自動機模型的成功與否很大程度上取決于演化規(guī)則的設計。2.元胞自動機一般特征標準的元胞自動機模型具有以下特征：（1）同質性：在元胞空間內的每個元胞的變化都服從相同的規(guī)律，所有元胞都受同樣的規(guī)則支配。（2）并行性：各個元胞在每一時刻的狀態(tài)都是獨立的行為，相互之間不發(fā)生作用，并不會產生相互之間的影響。（3）時空局部性：每個元胞下一時刻的狀態(tài)取決于其周圍半徑為r的鄰域（或者其他形式的鄰居規(guī)則所定義的鄰域）中的元胞的當前時刻t的狀態(tài)，即所謂空間、時間的局部性。從信息傳遞的角度看，元胞自動機中傳輸?shù)男畔⑹怯邢?/p>

4、的。除以上特征，元胞自動機還具有空間離散、時間離散、狀態(tài)離散且有限等特征。其中，質性、并行性、局部性是元胞自動機的核心特征，任何對元胞自動機的擴展都應當盡量保持這些核心特征，尤其是局部性特征。㈡元胞自動機在交通領域中的應用早在1986年，元胞自動機被應用于道路交通的研究[3]，隨后元胞自動機在交通領域中的應用愈加廣泛，目前最具代表性的兩個方面分別是1992年Nagel和Schreckenberg提出的一維元胞自動機Nasch模型[4]及Biham、Middieton和Levine提出的二維元胞自動機BML模型[5]。其中Nasch模型是用來研究高速路的，BML模型是

5、用來研究城市路網的，這兩類模型是以Wolfram命名的184號規(guī)則模型為基礎發(fā)展而來的。本文建構的元胞自動機模型也是對于NaSch模型的改進。從元胞自動機的應用來看，在交通領域其主要有單車道模型和多車道模型。（1）單車道模型單車道的元胞自動機模型包括確定型和隨機型兩類，184號模型即為最簡單的確定型模型，此處介紹具有代表性的隨機型模型NaSch模型（簡稱NS模型）。與184號規(guī)則相比，NS模型將車輛的最大速度擴展到了大于1的情況，并引入了隨機慢化。該模型有四步并行更新規(guī)則[6]：①加速：②減速：③隨機慢化：以隨機概率令；④位置更新：。其中分別表示第n輛車的位置和速度

6、，表示其和前車之間空的元胞數(shù)，表示元胞的最大速度，表示隨機慢化概率，為每輛車所占的元胞。NS模型中規(guī)則①反映了駕駛員傾向于以盡可能大的速度行駛的特點，規(guī)則②確保車輛不會與前車發(fā)生碰撞，規(guī)則③引入隨機慢化來體現(xiàn)駕駛員行為的差異，既可以反映隨機加速行為，又可以反映減速過程中的過度反應行為。除NS模型外，單車道元胞自動機模型還有巡航控制模型、慢啟動規(guī)則模型、VDR模型、速度效應模型、舒適駕駛模型等，均是基于NS模型進行的改進。（2）多車道模型單車道模型在研究車輛運行時，其重要的不足之處就是不允許超車，難以反映實際道路運行中的超車現(xiàn)象。目前的多車道元胞自動機模型，一般采用S

7、parmann的換道邏輯，區(qū)分了換道動機和安全要求，元胞自動機換道規(guī)則是對這兩種因素的具體表達。換道動機是指能夠決定駕駛員是否產生換道意識的條件；換道安全性是指決定駕駛員是否將換道意識付諸行動的條件，具體包括本車道和目標車道的前后車距是否滿足換道條件。以Chowdhury等人提出的一個典型的對稱型雙車道換道規(guī)則STCA模型為例，其換道規(guī)則為：上式中第一、二個條件為動機性條件，第三個條件為安全性條件。多車道元胞自動機模型的研究重點在于換車道規(guī)則的制定。Cremer最早對元胞自動機換道規(guī)則進行了研究，根據(jù)前方是否存在慢車和目標車道是否滿足換道要求的情況決定換到規(guī)則[